DE102005004309B4

DE102005004309B4 - Zugmittelspanner mit mechanischer Dämpfung

Info

Publication number: DE102005004309B4
Application number: DE102005004309A
Authority: DE
Inventors: Johann Singer; Dipl.-Ing. Bogner Michael; Dipl.-Ing. Wolf Martin
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: DE102005004309A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mechanisch gedämpften Zugmittelspanner (1, 1') für den Zugmittelbetrieb eines Verbrennungsmotors, wobei der Zugmittelspanner (1, 1') insbesondere als Konusspanner ausgebildet ist, der ein Spannergehäuse (2, 2') mit einem Innenkonus (13, 13') einen Spannerarm (3, 3') mit einem Außenkonus (20, 20') und einen zwischen beiden Konen durch die Axialkraft einer Torsions-Druckleder (5, 5') eingespannten konusstumpfförmigen, hohlen Reibbelag (4, 4') mit einer Außen- und einer Innenseite aufweist. Der Zugmittelspanner (1, 1') ist im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors funktionssicher, da beide Seiten des Reibbelags (4, 4') als Reibflächen dienen und eine von diesen befettet ist, während die andere einen weitgehend Temperatur unabhängigen Reibkoeffizienten vorzugsweise < 0,35 aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Zugmittelspanner mit mechanischer Dämpfung, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Ein bekannter, mechanisch gedämpfter Zugmittelspanner für den Zugmitteltrieb eines Verbrennungsmotors ist als Konusspanner ausgebildet. Er weist ein motorfestes Spannergehause mit einem Innenkonus und einem Spannerarm mit einem Außenkonus sowie einen zwischen beiden Konen durch die Axialkraft einer Torsions-Druckfeder eingespannten, konusstumpfförmigen, hohlen Reibbelag auf, der eine Außen- und eine Innenseite besitzt.
Die Innenseite des Reibbelags ist mit dem Innenkonus des Spannergehäuses formschlüssig verbunden, so dass zwischen Reibbelag und Innenkonus keine Relativbewegung möglich ist. Diese findet zwischen der Außenseite des Reibbelags und dem Außenkonus des Spannerarms statt, die als Gleit- und Reibpartner dienen.
Der Reibbelag besteht aus Thermoplasten, der Spannerarm und das Spannergehäuse aus Aluminium-Druckguss. Wenn diese Teile aufeinander gleiten kann Stick-Slip entstehen. Diese ruckartige Bewegung verursacht Geräusche und führt zum Verschleiß der Reibpartner. Dem kann durch Schmieren, insbesondere Befetten der Reibpartner begegnet werden.
Das Befetten der Reibpartner hat den Nachteil, dass deren Reibkoeffizient in erheblichem Maße von deren Temperatur abhängt. Bei Temperaturen zwischen 50°C und 100°C, die einer normalen Betriebstemperatur entsprechen, liegt der Reibkoeffizient zwischen 0,05 und 0,15 wodurch sich eine relativ konstante Dämpfung ergibt. Bei Temperaturen zwischen 0°C und –30°C und tiefer, wie sie beim Kaltstart und Kaltmotorbetrieb auftreten, steigt der Reibkoeffizient der befetteten Reibfläche auf Werte von 0,40 bis 0,60 und mehr an. Dadurch ergibt sich ein sehr unterschiedliches Dämpfungsverhalten. Es kann sogar zum Verkleben der Reibpartner und damit zur Selbsthemmung des Dämpferarms führen. Diese Nachteile können durch Spezialfette vermieden werden, die jedoch sehr teuer sind.
Ein gedämpfter Zugmittelspanner mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten wesentlichen Merkmalen ist aus der DE 41 25 494 C1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zugmittelspanner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors mit möglichst konstanter Dämpfung, geringem Geräusch und geringem Verschleiß arbeitet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß sind beide Seiten des Reibbelags als Reibflächen verfügbar. Eine der beiden Reibflächen ist befettet. Bei normalen Betriebstemperaturen von 50°C bis 100°C ist die befettete Reibfläche aufgrund ihres niedrigen Reibkoeffizienten von 0,05 bis 0,15 im Einsatz.
Beim Kaltstart und Kaltmotorbetrieb mit Temperaturen von 0°C bis –40°C steigt der Reibkoeffizient der befetteten Reibfläche auf 0,4 bis 0,6 und höher bis zum Verkleben der Reibpartner. Dann kommt die fettfreie und damit verklebungssichere Reibfläche aufgrund ihres niedrigeren und weitgehend Temperatur unabhängigen Reibkoeffizienten von 0,15 bis 0,35 automatisch zum Einsatz Auf diese Weise ist der erfindungsgemäße Zugmittelspanner im gesamten Temperaturbereich des Verbrennungsmotors funktionsfähig. Wegen der im Dämpfungsbetrieb entstehenden Reibwärme erreicht ein kalter Reibbelag in kurzer Zeit seine Betriebstemperatur, bei der die befettete Reibfläche wieder frei kommt und somit die überwiegende Betriebszeit im Einsatz steht.
Neben der Geräusch- und Verschleißminderung und der Schmierung der Dichtungen bietet die Befettung den Vorteil einer praktisch konstanten Dämpfung, da der Reibkoeffizient der befetteten Reibfläche bei Betriebstemperatur nur geringfügig streut. Außerdem dient die Befettung der Aufnahme von Abriebspartikeln.
Als Geometrie der Reibflächen kommt vor allem der Hohlkonus in Frage. Eine Änderung von dessen Konuswinkel ermöglicht eine Variation des vom Keilwinkel abhängigen Verstärkungsfaktors der Normalkraft. Als weitere Formen der Reibfläche sind auch die Scheibe, der Keilring oder Mehrschichtsysteme denkbar.
Es hat Vorteile, die Außenreibfläche des Reibbelags zu befetten, da diese für eine Fettpresse besser zugänglich ist als die Innenreibfläche.
Der Reibkoeffizient des Außen- und Innenkonus kann durch Belegen derselben mit einer Metallfolie, z. B. einer aus rostfreiem Stahl, verändert werden, ohne wesentliche Eingriffe in die Grundkonstruktion des Spanners vornehmen zu müssen.
Vorteilhaft ist auch, dass zwischen den Enden des Reibbelags und den an den Enden des Innenkonus vorgesehenen axialen Anschlägen eine vorzugsweise als O-Ring ausgebildete Dichtung angeordnet ist. Diese O-Ringe dichten die befettete Außenreibfläche gegenüber der fettfreien Innenreibfläche und beide Reibflächen nach außen hin ab.
Die O-Ringe selbst werden durch Berühren der befetteten Außenreibfläche geschmiert, wodurch sich deren Verschleiß minimiert.
Von Vorteil ist, dass an beiden Enden eines alternativen Reibbelags in dessen Außenreibfläche je eine Radialnut eingearbeitet ist, die einen halbkreisförmigen Nutengrund aufweist und deren endseitige Nutenwand als Schwelle ausgebildet ist. Auf diese Weise ist in jede Nut ein O-Ring einschnappbar, der dadurch mit derselben unverlierbar verbunden ist und die maschinelle Montage des Zugmittelspanners erleichtert.
Die O-Ringe des alternativen Reibbelags dienen zur Abdichtung der befetteten Außenreibfläche nach außen und damit auch zu deren Abdichtung gegenüber der fettfreien Innenreibfläche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt ist.
Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Zugmittelspanner, mit einem hohlen, konusstumpfförmigen Reibbelag, der zwischen einem Außenkonus eines Spannarms und einem Innenkonus eines Spannergehäuses durch eine Torsions-Druckfeder gespannt ist;
2 einen Längsschnitt durch einen Zugmittelspanner gemäß 1, jedoch mit einer integrierten Spannschraube und mit O-Ringen, die am Reibbelag lösbar befestigt sind;
3 ein Detail X aus 2;
4 eine graphische Darstellung des Reibmoments der befetteten Außen- und trockenen Innenreibfläche des Reibbelags in Abhängigkeit von dessen Temperatur.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein Längsschnitt durch einen Zugmittelspanner 1 mit mechanischer Dämpfung dargestellt, der dem Zugmitteltrieb eines Verbrennungsmotors zum Spannen eines Zugmittels dient.
Der Zugmittelspanner 1 weist ein Spannergehäuse 2, einen Spannerarm 3, einen Reibbelag 4 und eine Torsions-Druckfeder 5 auf.
Das Spannergehäuse 2 besteht aus einem Grundkörper 6 und einer Innenkonushülse 7 mit einem Innenkonus 13. Der Grundkörper 6 besitzt eine Führung 10 mit einem axialen Anschlag 11 für die Innenkonushülse 7 und eine zentrale Bohrung 8 für eine nicht dargestellte Spannschraube. Die Innenkonushülse 7 wird von der Spannschraube über eine Unterlegscheibe 12 gegen den Anschlag 11 des Grundkörpers 6 und zusammen mit diesem gegen einen nicht dargestellten Zylinderblock gespannt. Bevorzugt ist dabei die Innenkonushülse 7 mit dem Grundkörper 6 über einen Formschluss 32, beispielsweise durch eine Vertaumelung verbunden.
Der Reibbelag 4 ist als hohler Konusstumpf ausgebildet. Er weist eine Außenreibfläche 19 und eine Innenreibfläche 18 auf. Die Außenreibfläche 19 steht mit einem Außenkonus 20 des Spannerarms 3, die Innenreibfläche 18 mit dem Innenkonus 13 des Spannergehäuses 2 in spielfreiem Reibkontakt.
Die Außenreibfläche 19 ist befettet, die Innenreibfläche 18 ist fettfrei. Um diesen Zustand auf Dauer zu erhalten, sind zwischen den Enden 21, 22 des Reibbelags 4 und den am Innenkonus 13 und am Grundkörper 6 vorgesehenen axialen Anschlägen 14, 16 O-Ringe 15, 17 angeordnet. Diese dichten die Innen- und Außenreibfläche 18, 19 gegeneinander und nach außen hin ab.
Die Torsions-Druckfeder 5 weist eine axiale Druckkomponente und eine tangentiale Torsionskomponente auf, die von einer Auflage 9 des Grundkörpers 6 und einer Auflage 9a des Spannerarms 3 aufgenommen werden. Die Druckkomponente verursacht eine Verspannung des Reibbelags 4 mit den Konen 13 und 20. Diese Verspannung bewirkt eine Führung und Stabilisierung des Spannarms 3 und zugleich eine mechanische Dämpfung von dessen Schwenkbewegung, die dem Spannen des Zugmittels dient und eine Folge der Torsionskomponente der Torsions-Druckfeder 5 ist.
Der Spannerarm 3 trägt an seinem freien Ende eine Spannerrolle 23. Diese ist in einem Wälzlager 24 gelagert und durch eine Spannschraube 25 gegen den Spannerarm 3 gespannt. Ein Deckel 26 schützt das Wälzlager 24 vor Schmutz.
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zugmittelspanner 1', der dem Zugmittelspanner 1 der 1 ähnelt, sich jedoch von diesem durch einige, die Zahl der Bauteile und Bearbeitungsvorgänge vermindernde und die Montage erleichternde Details unterscheidet.
Der Zugmittelspanner 1' weist ein Spannergehäuse 2', einen Spannerarm 3', einen Reibbelag 4' und die Torsions-Druckfeder 5' auf.
Das Spannergehäuse 2' besteht aus einem Grundkörper 6' und einer Innenkonushülse 7'. Diese ist mit einer Spannschraube 27 einstückig ausgebildet, die in einer Zentralbohrung 8' geführt und durch einen Sprengring 28 gegen Herausfallen gesichert ist.
Vom Reibbelag 4 der 1 unterscheidet sich der Reibbelag 4' der 2 durch modifizierte Enden 21', 22' desselben. Dies geht aus 3 hervor, die ein vergrößertes Detail X der 2 zeigt. In 3 ist der Reibbelag 4' dargestellt, mit einer Innen- bzw. Außenreibfläche 18', 19', die mit einem Innen- bzw. Außenkonus 13', 20' der Innenkonushülse 7' bzw. des Spannerarms 3' in spielfreiem Reibkontakt stehen. Außerdem sind Teile der Torsions-Druckfeder 5' und des Grundkörpers 6' gezeigt.
In das Ende 22' des Reibbelags 4' ist in dessen Außenreibfläche 19' eine Radialnut 29 eingearbeitet. Diese weist einen halbrundförmigen Nutengrund 30 auf und deren endseitige Nutenwand ist als Schwelle 31 ausgebildet. Über die Schwelle 31 werden die O-Ringe 17' bzw. 15' geschoben und schnappen verliersicher in den Nutengrund 30 ein. Dadurch wird die Montage des Zugmittelspanners 1' gegenüber der des Zugmittelspanners 1 vereinfacht. Der in dem Nutengrund 30 sitzende O-Ring 17' dichtet die Außenreibfläche 19' des Reibbelags 4' und deren Außenkonus 20' nach außen und damit zugleich gegenüber der Innenreibfläche 18' und deren Innenkonus 13' ab. Entsprechendes gilt für den O-Ring 15'.
Die Funktionsweise der Erfindung wird anhand von 4 erklärt, wobei sich die Bezifferung auf die 1–3 bezieht. Die 4 zeigt ein Diagramm mit zwei Reibmomenten M1, M2 in Abhängigkeit von der Bauteiltemperatur Theta [°C] der aufeinander gleitenden Reibflächen. Das Reibmoment M1 entsteht durch die Reibung zwischen der Außenreibfläche 19, 19' des Reibbelags 4, 4' und dem Außenkonus 20, 20' des Spannerarms 3, 3', während das Reibmoment M2 durch die Reibung zwischen der Innenreibfläche 18, 18' des Reibbelags 4, 4' und dem Innenkonus 13, 13' des Spannergehäuses 2, 2' entsteht.
Im vorliegenden Fall sind die Außenreibflächen 19, 19' und der Außenkonus 20, 20' befettet, während die Innenreibfläche 18, 18' und der Innenkonus 13, 13' fettfrei sind.
Von den vielen die Höhe des Reibmoments beeinflussenden Parametern wird bei dem in 4 dargestellten Diagramm nur der Einfluss der Befettung berücksichtigt.
Die Bauteiltemperatur Theta liegt im Hauptbetriebsbereich A bei 100°C bis 50°C, im Übergangsbereich B bei 50°C bis 0°C und im Kaltmotorbereich C bei 0°C bis –30°C und tiefer. Der Reibkoeffizient des befetteten Reibpaars liegt im Hauptbetriebsbereich A bei 0,05 bis 0,15. Er steigt im Übergangsbereich B auf Werte von 0,10 bis 0,20 an und erreicht im kalten Motorbetrieb Werte von 0,40 bis 0,60 und mehr. Dabei kann es zum Verkleben der befetteten Flächen und in Folge dessen zur Selbsthemmung des Spannerarms 3, 3' kommen.
Dem gegenüber liegt der Reibkoeffizient des fettfreien Reibpaars im gesamten Temperaturbereich zwischen 0,15 und 0,35.
So lange das Reibmoment M1 des befetteten Reibpaars niedriger ist als das Reibmoment M2 des fettfreien Reibpaars, kommt es zum Gleiten des befetteten Reibpaars. Dies ist im Hauptbetriebsbereich A der Fall.
Übersteigt das Reibmoment M1 das Reibmoment M2 wie im Kaltmotorbereich C, so kommt das fettfreie Reibpaar zum Gleiten und verhindert auf diese Weise eine Selbsthemmung des Spannerarms 3, 3'.
Da aufgrund einer guten Wärmeleitfähigkeit des Reibbelags 4, 4' bzw. des Systems (auch Motorwärme) die Reibwärme des fettfreien Reibpaars nach einem Kaltstart im kalten Motorbetrieb zur raschen Erwärmung beider Reibpaare führt, arbeitet der Zugmittelspanner überwiegend bei den Bauteiltemperaturen des Hauptbetriebsbereichs A. Auf diese Weise kommen durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Zugmittelspanners die Vorteile eines befetteten Reibmittelpaars wie Verminderung von Stick-Slip, Geräusch und Verschleiß während der überwiegenden Betriebszeit des Verbrennungsmotors zum Tragen, ohne die Gefahr der Selbsthemmung des Spannerarms 3, 3' beim Kaltstart und Kaltmotorbetrieb in Kauf nehmen zu müssen.
Bezugszeichenliste

1, 1': Zugmittelspanner
2, 2': Spannergehäuse
3, 3': Spannerarm
4, 4': Reibbelag
5, 5': Torsions-Druckfeder
6, 6': Grundkörper
7, 7': Innenkonushülse
8, 8': Zentralbohrung
9, 9a: Auflage
10: Führung
11: Anschlag
12: Unterlegscheibe
13, 13': Innenkonus
14: axialer Anschlag
15, 15': O-Ring
16: axialer Anschlag
17, 17': O-Ring
18, 18': Innenreibfläche
19, 19': Außenreibfläche
20, 20': Außenkonus
21, 21': Ende
22, 22': Ende
23: Spannerrolle
24: Wälzlager
25: Spannschraube
26: Deckel
27: Spannschraube
28: Sprengring
29, 9a: Radialnut
30, 30a: Nutengrund
31, 31a: Schwelle
32: Formschluss
M1: Reibmoment des befetteten Reibpaars
M2: Reibmoment des fettfreien Reibpaars
A: Hauptbetriebsbereich
B: Übergangsbereich
C: Kaltmotorbereich

Claims

Mechanisch gedämpfter Zugmittelspanner für den Zugmitteltrieb eines Verbrennungsmotors, wobei der Zugmittelspanner insbesondere als Konusspanner ausgebildet ist, der ein Spannergehäuse mit einem Innenkonus, einen Spannerarm mit einem Außenkonus und einen zwischen beiden Konen durch die Axialkraft einer Torsions-Druckfeder eingespannten konusstumpfförmigen, hohlen Reibbelag mit einer Außen- und einer Innenseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Seiten des Reibbelags (4, 4') als Reibflächen dienen, wobei eine der Seiten befettet und die andere fettfrei ist und einen weitgehend Temperatur unabhängigen Reibkoeffizienten vorzugsweise < 0,35 aufweist.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise die Außenreibfläche (19, 19') des Reibbelags (4, 4') befettet ist.
Zugmittelspanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Enden (21, 22) des Reibbelags (4) und den am Innenkonus (13) und an einem Grundkörper (6) des Spannergehäuses (2) vorgesehenen axialen Anschlägen (14, 16) vorzugsweise als O-Ringe (15, 17) ausgebildete Dichtungen angeordnet sind.
Zugmittelspanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden (21', 22') eines Reibbelags (4') in dessen Außenreibfläche (19') eine Radialnut (29, 29a) eingearbeitet ist, die einen halbkreisförmigen Nutengrund (30, 30a) aufweist und deren endseitige Nutenwand als Schwelle (31, 31a) ausgebildet ist.